新材料与工艺手册

[内外饰及附件轻量化] 长纤维复合材料在汽车座椅上的应用

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发表于 2019-6-17 11:19:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】摘 要:介绍了汽车座椅的概况,分析汽车轻量化的意义及重要性,分析了长纤维复合材料在汽车领域的应用状况,从多个角度探讨了长纤维复合材料在汽车座椅中的应用,希望长纤维复合材料可以发挥其各种优良的性能,降低成本的同时可以提高汽车座椅质量。
关键词:长纤维复合材料;汽车座椅;轻量化

引言

近些年来,人们对汽车座椅的各类要求随着汽车产业的快速发展不断地提高,汽车座椅的轻量化、多功能、环保舒适及安全性等方面是人们对汽车座椅的基本需求,因此,这些方面逐渐成为汽车座椅发展的主要方向。长纤维复合材料是由树脂与长纤维组成的复合材料,具有多种特性,如高强度、低密度、生产时间较短及容易成型等,适合于汽车座椅现阶段的发展趋势,因此在汽车工业中其渐渐成为汽车座椅的首选材料。


1 汽车座椅综述

汽车座椅主要由座椅面套、座椅枕头、座椅泡沫以及座椅骨架四部分构成,除此之外,由于市场的需求不同,部分座椅还具有扶手、腰托或按摩等相关舒适性部件,部分座椅带有杯托、抽屉等其他储存功能的部件。

目前汽车座椅设计的轻巧性、舒适性、安全性等都具有不容忽视的意义。然而,常规的座椅大多数的主要材料均为金属材料,金属密度大质量重,单单依靠优化结构及设计改善汽车座椅轻量化的发展空间得到了限制。而长纤维增强复合材料则具有优异的力学性,能够取得显著的轻量化效果,因此,在汽车领域中逐渐被人们应用,不但在多数简单非重要部件中被应用,在一些复杂形状的功能部件中也被使用,比如座椅骨架以及前段模块。


2 汽车轻量化的重要性

汽车的轻量化是指在汽车的安全性能以及强度均能够得到保障的基础上,最大限度地将汽车整体的重量降低,进而增强汽车的动力性,并降低排放及燃料的消耗量。根据相关试验可知,汽车的燃油量与汽车被本身的重量有最直接的关系,汽车每减轻100 kg的质量,其百公里的燃油消耗量便可降低0.2~0.8 L,通常约为原消耗量的4.5%。因此,现阶段在汽车发展逐渐偏向环保、节能的背景下,现代汽车在其设计及制造过程中,汽车的轻量化具有极为重要的意义[1]。

汽车座椅是汽车众多内饰部件中极为重要的一件。根据调查显示,汽车座椅的重量在整个车身中占据1.5%~2%的比重。虽然汽车座椅在车身总重量中占据的比例不大,然而,其作为汽车内部重量较大且也是极为重要的部件之一,在整辆车的轻量化过程中所贡献的力量不容小觑。汽车座椅是整个汽车设计过程中比较繁琐的部件之一。汽车座椅的设计过程必须从多方面考虑,如安全性、造型的美观性、功能多样性及舒适性等,必须建立在符合汽车传统座椅要求的前提下,才能够实行汽车座椅的轻量化设计,降低汽车座椅重量的同时,汽车座椅的各项基本性能必须能够得到保证,尤其是座椅的安全性。汽车座椅的轻量化设计在这些要求的影响下变得更加具有挑战性,也更加值得人们对其进行研究。


3 长纤维复合材料在汽车领域的应用状况

长纤维复合材料随着工业经济的快速发展也得到了飞快的发展,现阶段,长纤维复合材料已经变成增强塑料行业中增长速度最快的产业之一。在欧美等发达国家,长纤维复合材料得到了很大的发展,比如日本帝人公司、美国LNP公司、Ticona公司、圣戈班公司等在国际中知名度较大的材料企业均研究出了长纤维复合材料。

根据相关资料统计,长纤维复合材料在欧美国家汽车领域的应用比例较大,占总用量的33%左右,并且还会随着汽车工业的发展而持续增长。现阶段,长纤维复合材料在汽车的内饰、功能件以及结构件上的应用较为广发,用长纤维符合材料取代传统的金属材料,可以在减轻汽车重量的同时,使生产工艺简化、生产模块化。美国通用汽车公司是国际上最大的汽车制造商之一,其已在运动型汽车与轻便货车的货箱板上应用了玻璃纤维复合材料。在复合材料的应用领域,福特公司是众多领导者之一,其生产的汽车,采用了纤维增强的片状塑料作为车身隔热板的材料。2011年,德国BMW汽车公司旗下生产的某种型号汽车的驾驶员座椅采用了PP-LGF50材料,这种材料使汽车座椅的质量减轻了63%,同时也提高了汽车座椅的使用寿命[2]。


4 长纤维复合材料在汽车座椅中的应用4.1 提高座椅的使用期限与安全性

长纤维复合材料的抗疲劳性较高,它具有较多的基体,它的疲劳断裂不会在突然之间爆发出来,而是由基体到集体界面以及纤维上缓慢的扩展开来。因此,人们能够提前发现长纤维复合材料的损坏,并及时针对其采取相应的补救措施,有效地提高了座椅的使用寿命。除了抗疲劳性之外,长纤维复合材料还具有稳定的安全性,假如发生超载现象的部件选用这种材料制成,汽车座椅的作用不会立即消失,而是先断裂少量的纤维,负载会在这时重新进行快速分配并传递至未受到损坏的纤维上,这样在短时间内整个构件便不会被重物击垮。

4.2 降低座椅的振动幅度

长纤维复合材料与基体界面之间存在较大的阻尼,有良好的减振性能,将大小及形状相同的长纤维复合材料与金属材料在相同的条件下实施振动试验,前者比后者的衰短时间较短。因此,采用长纤维复合材料的汽车座椅有效地降低了座椅振动频率与时长。

4.3 减少座椅成本

在对长纤维复合材料进行加工时不需要化学反应,直接将增强纤维根据预定的方向挤出,同时排布在基体上,进而形成铺层结构,并在高速液压机上将其压制,这样就可以加工长纤维复合材料。这种方法在省去买半成品费用、降低制造成本的同时,又保障了纤维长度,更加优化了构件的力学性能[3]。除此之外,将基体与纤维结合在一起,再用模具成型加温固化,便能够将长纤维复合材料部件制作出来,基体在此制作过程中由流体转变为固体,因此由长纤维复合材料制成的汽车座椅不容易生成裂缝。

4.4 降低座椅高温时的损害度

长纤维符合材料在一般状况下都可以达到耐高温的效果,普通的铝合金处于400℃时,它的弹性模量会有大幅度的降低,然而在同样的条件下,使用长纤维材料增强后的铝合金,其弹性模量以及强度能够保持不变。因为长纤维复合材料具有较小的热导率,因此其耐高温性能较好。将长纤维复合材料应用到汽车座椅中,能够有效降低高温状况下汽车座椅的损害度。

4.5 保持座椅各种性能的稳定

长纤维复合材料的众多特点中较为显著的为高比刚度及高比强度,其性能具有较宽的变化范围,根据纤维材料、纤维含量及铺陈方向的不同,所设计出的产品强度指标、阻燃性能及弹性模量也不同。在某种铺层方式下的长纤维复合材料,将材料向一方向拉伸时,材料能够在垂直于拉伸方向上也获得伸长,这种性能与常用材料完全不同。汽车座椅在其设计过程中应选用易于设计且能够维持性能稳定的材料,长纤维复合材料便能够在灵活设计出不同形状的同时保持其各方面性能的稳定。


5 结语

汽车座椅作为汽车的承载力部件,在交通事故发生时对保障车内人员的安全有着极为重要的作用,因此,朝着轻量化、舒适安全等方面发展是汽车座椅发展的必然趋势。长纤维复合材料具有各种优良的性能,提高汽车座椅质量的同时又减轻了其质量,提高各种性能的同时又降低了成本,由此可见,随着汽车工业的飞速发展以及长纤维复合材料发展中技术水平的不断提升,在汽车座椅中,长纤维复合材料的应用前景定会日益广阔。


参考文献

[1]汪庆洋.纤维增强复合材料乘用车后排座椅骨架轻量化设计研究[D].长春:吉林大学,2014.

[2]徐婷婷.长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架改进设计[D].长春:吉林大学,2017.

[3]张方超,杨建忠,乔卉,等.碳纤维及其复合材料在汽车行业的应用及展望[J].合成纤维,2013(6):26-29.


来源:期刊-《现代工业经济和信息化》  作者:苗 京(一汽-大众汽车有限公司, 吉林 长春 130000)



发表于 2019-7-25 11:45:33 | 显示全部楼层
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